Archivi tag: interazioni fondamentali

Messaggeri dell’Universo ‘invisibile’

Abbiamo detto varie volte che la materia ordinaria rappresenta quasi il 5% dell’Universo, tutto il resto è qualcosa di invisibile a cui gli scienziati hanno dato il nome di materia scura ed energia scura. Oggi, un gruppo di ricercatori che lavoreranno ad un nuovo esperimento che sarà condotto presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Virginia sperano di far luce su alcuni misteri della fisica ancora irrisolti.

Continua a leggere Messaggeri dell’Universo ‘invisibile’

Pubblicità

Planck avvalora il modello cosmologico standard

In questi giorni, i cosmologi sono riuniti a Palazzo Costabili, nella città di Ferrara, per discutere gli ultimi risultati ottenuti dal satellite Planck sulla temperatura e la polarizzazione della radiazione cosmica di fondo (post). Il risultato principale è una nuova mappa a tutto cielo che mostra lo stato fisico dell’Universo infante appena 380 mila anni dopo il Big Bang e i cui dati saranno pubblicati sulla rivista Astronomy & Astrophysics non prima del 22 Dicembre 2014.

Continua a leggere Planck avvalora il modello cosmologico standard

E’ la teoria delle stringhe alla base della meccanica quantistica?

E’ quanto emerge da uno studio proposto da due ricercatori della University of South California (USC) e che potrebbe aprire una nuova finestra per utilizzare la teoria delle stringhe, o una sua estensione, cioè la la teoria-M, come il punto di partenza di tutte le leggi della fisica.

Continua a leggere E’ la teoria delle stringhe alla base della meccanica quantistica?

E se non fosse stato osservato il bosone di Higgs?

Ciò che hanno osservato i fisici del CERN in merito alla scoperta di una nuova particella potrebbe non riguardare il bosone di Higgs (post), nonostante ci assomigli tanto (post), e forse potrebbe non essere l’unica. È quanto emerge da un recente studio che ha analizzato tutti i dati scientifici che sono stati pubblicati in merito al nuovo bosone scalare e i cui risultati sono descritti in un articolo pubblicato su Physical Review D.

Continua a leggere E se non fosse stato osservato il bosone di Higgs?

La scoperta di un nuovo mesone fornisce preziosi indizi per lo studio dell’interazione forte

Un gruppo di fisici guidati dai colleghi dell’Università di Warwick hanno scoperto una particella che contribuirà a fornire una maggiore comprensione dell’interazione forte, una delle quattro forze fondamentali della natura che tiene uniti i protoni del nucleo atomico. Denominata con la sigla Ds3 * (2860) ˉ, si tratta di un nuovo tipo di mesone, cioè un tipo di particella subatomica composte da un quark e un antiquark legati dalla forza forte, che è stato individuato dopo una serie di analisi dei dati raccolti con il rivelatore LHCb al CERN di Ginevra. L’esperimento LHCb, gestito da una grande collaborazione internazionale, è stato progettato per studiare le proprietà delle particelle elementari contenenti i cosiddetti quark-bottom e quark-charm e rappresenta a tutt’oggi l’unico esperimento in grado di realizzare questo tipo di scoperte. Date le similitudini con il modo in cui si trovano confinati i protoni negli atomi, i ricercatori sperano ora di essere in grado di studiare la particella per comprendere meglio l’interazione forte.

University of Warwick: Discovery of new subatomic particle sheds light on fundamental force of nature

arXiv: Observation of overlapping spin-1 and spin-3 D0K– resonances at mass 2.86 GeV/c2

arXiv: Dalitz plot analysis of Bs0→D0Kπ+ decays

Il destino dell’Universo è davvero legato al bosone di Higgs?

La risposta è: no! Il bosone di Higgs non è ‘pericoloso’ e non distruggerà l’Universo. Per fare meglio il punto su quanto riportato dai vari media in questi giorni, cominciamo con il dire che il bosone di Higgs è un tipo di particella, una minuscola fluttuazione di un campo scalare complesso detto campo di Higgs. Questa particella alquanto “modesta”, se si è fortunati a crearne una (ricordiamo che LHC ne produce una su un trilione di collisioni protone-protone) ha una vita molto breve perché si disintegra trasformandosi in altre particelle in una piccolissima frazione di secondo, meno del tempo che impiega la luce per andare da una “estremità all’altra di un atomo”. Se qualcuno la pensa diversamente è perché ha letto probabilmente le recenti dichiarazioni di Stephen Hawking in occasione dell’uscita del suo libro Starmus – 50 Years of Man in Space (post).

Continua a leggere Il destino dell’Universo è davvero legato al bosone di Higgs?

Confermato il decadimento di Higgs in fermioni

Event recorded by CMS in 2012 at a proton-proton centre-of-mass energy of 8 TeV. It shows characteristics expected from the decay of the SM Higgs boson to a pair of τ leptons. Such an event is characterised by the production of two forward-going particle jets (green towers), seen here in opposite endcaps. One of the τs decays to a muon (red lines) and neutrinos, while the other τ decays into a charged hadron (blue towers) and a neutrino. Credit: CMS/LHC Collaboration

I ricercatori del CERN che lavorano all’esperimento CMS di LHC hanno trovato delle prove dirette del decadimento del bosone di Higgs in fermioni, una forte indicazione che la particella scoperta nel 2012 si comporta come previsto dal modello standard delle particelle elementari. In precedenza, era stato possibile rivelare Higgs solamente attraverso il suo decadimento in bosoni. Ricordiamo che i fermioni sono quelle particelle che costituiscono la materia mentre i bosoni sono quelle particelle mediatrici delle interazioni fondamentali. Dunque, oggi sappiamo che Higgs può trasformare sia in bosoni che in fermioni il che vuol dire che possiamo escludere alcuni modelli in base ai quali non è previsto il decadimento in fermioni. Inoltre, secondo il modello standard l’interazione forte tra i fermioni e il campo di Higgs deve essere proporzionale alle loro masse. Anche questa previsione è stata confermata e quindi i risultati suggeriscono che la particella di 125 GeV si comporta effettivamente come il bosone di Higgs proposto dalla teoria.

 UZH: Evidence found for the Higgs boson direct decay into fermions

Nature: Evidence for the direct decay of the 125 GeV Higgs boson to fermions

CMS/LHC: CMS presents evidence for Higgs decays to fermions

LHC, mini buchi neri e dimensioni spaziali extra

Una delle conseguenze del modello detto ‘mondo-brana’, contemplato dalla teoria delle stringhe, è la formazione di  buchi neri microscopici che possono emergere in seguito alle collisioni di alta energia realizzate negli acceleratori di particelle. Le teorie che prevedono questa possibilità affascinante sono quelle in cui la scala di energia in cui avvengono i fenomeni fisici della gravità quantistica è molto inferiore rispetto al valore convenzionale di 1019 GeV (GeV indica 1 miliardo di electronVolt) e può addirittura essere ancora più bassa, cioè dell’ordine di qualche TeV (TeV indica 1000 miliardi di electronVolt).

La teoria della relatività generale può essere formulata in qualsiasi numero di dimensioni spaziotemporali anche se, ad oggi, i dati indicano che viviamo in un Universo caratterizzato da 3 dimensioni spaziali e 1 temporale. Sin dagli anni ’20, sono state formulate altre teorie della gravità, a partire da quella di Kaluza-Klein, che prevedono ulteriori dimensioni spaziali. Oggi, secondo la teoria delle stringhe, si ritiene che queste dimensioni extra ‘invisibili’ siano ‘arrotolate’ o ‘compattificate’ su scale molto piccole, dell’ordine della lunghezza di Planck che è di 10-33 cm, e perciò non possono essere osservate direttamente. Nonostante ciò, sono state elaborate delle teorie che si basano sull’esistenza di dimensioni spaziali molto più grandi se confrontate con la lunghezza di Planck, al fine di risolvere il cosiddetto ‘problema della gerarchia’.

Il punto chiave è capire come mai la scala naturale dell’energia relativa alla gravità quantistica, cioè l’energia di Planck che è di 1019 GeV, sia così grande, circa 17 ordini di grandezza, rispetto alla scala naturale dell’energia relativa alle interazioni fondamentali (ad esempio, la scala di energia della forza elettrodebole è 100 GeV).

Nel modello proposto da N. Arkani-Hamed, S. Dimopoulos e G.R. Dvali, detto scenario ADD, si hanno “n” dimensioni extra compattificate. Ora, un volume decisamente più grande che contiene queste dimensioni maggiorate fa sì che la scala fondamentale di energia della gravità quantistica diventi di molto inferiore rispetto a quella di Planck, diciamo dell’ordine di qualche TeV, e perciò può rientrare nell’ordine di grandezza delle energie prodotte dal Large Hadron Collider (LHC). Anche se la lunghezza scala di queste dimensioni non è stata esplorata dal punto di vista dell’interazione gravitazionale, essa è stata invece studiata nell’ambito degli esperimenti che riguardano la fisica delle particelle. Tuttavia, per evitare che esistano delle contraddizioni con il modello standard delle particelle, lo spaziotempo descritto dallo scenario ADD è composto da una brana quadridimensionale racchiusa da uno spaziotempo le cui dimensioni spaziali sono molto più grandi rispetto alla lunghezza scala di Planck. Tutte le particelle e le forze fondamentali sono confinate nella brana e solo la gravità si può propagare in questa struttura più grande che contiene la stessa brana. Questi modelli, come lo scenario ADD, sono noti anche con il termine ‘brana-universi’.

Una delle conseguenze più spettacolari del modello ADD è la possibilità di esplorare gli effetti della gravità quantistica su scale di energia che possono rientrare negli esperimenti di LHC, ossia la produzione di mini buchi neri durante le collisioni di alta energia. L’idea che sta alla base del processo è molto semplice. Consideriamo due particelle la cui energia prodotta dalla collisione è molto più grande di 1 TeV. In uno spaziotempo quadridimensionale, la cosiddetta “Hoop Conjecture” di Kip Thorne afferma che un mini buco nero si formerà solo se l’energia delle particelle viene compressa in una regione la cui circonferenza è inferiore a 2rH dove “rH” è il raggio di un buco nero di Schwarzschild la cui energia è uguale all’energia totale delle due particelle. In uno spaziotempo che ha più di 4 dimensioni, la “Hoop Conjecture” viene leggermente modificata, ma il principio fondamentale rimane lo stesso: in altre parole, se l’energia delle due particelle che collidono viene compressa in una regione estremamente piccola, allora ci si aspetta la formazione di un mini buco nero. Facendo una serie di calcoli che tengono conto della sezione d’urto delle particelle, si ha che assumendo, ad esempio, una energia di collisione uguale a 1Tev e che il numero delle dimensioni extra sia n=6, si ottiene un mini buco nero ogni secondo che ha una massa di 5TeV/c2. È importante sottolineare che la produzione di mini buchi neri è una possibilità realistica descritta da quei modelli che prevedono dimensioni extra maggiorate, dove cioè la scala fondamentale di energia della gravità quantistica è dell’ordine di 1 – 10 TeV. Le dimensioni di ogni buco nero che andrà a formarsi saranno microscopiche e con un raggio dell’ordine di 10-4 fm (fermi o femtometro; 1fm=10-15m).

Quando si forma in seguito alla collisione delle due particelle, il mini buco nero appare inizialmente molto asimmetrico e poi inizia a ruotare rapidamente, a causa del suo momento angolare. Assumendo che la quantità di energia iniziale del mini buco nero sia alcune volte maggiore della scala di energia della gravità quantistica, si può descrivere la sua geometria in termini della relatività generale, secondo una approssimazione semiclassica. Dunque, l’evoluzione del mini buco nero che si forma in seguito al processo di collisione tra due particelle può essere descritta nei seguenti punti:

  1. balding phase: il mini buco nero perde la sua asimmetria come parte del processo di formazione e inizia a ruotare rapidamente;
  2. spin-down phase: il mini buco nero emette radiazione Hawking, perde massa e momento angolare perciò smette di ruotare;
  3. Schwarzschild phase: il mini buco nero possiede ora una simmetria sferica e continua ad emettere radiazione Hawking;
  4. Planck phase: quando l’energia del mini buco nero diventa compatibile con quella tipica della gravità quantistica, dell’ordine cioè di alcuni TeV, la sua geometria non può essere più descritta dalla relatività generale e tutti gli effetti della gravità quantistica, che sono ignorati nell’approssimazione semiclassica, diventano importanti.

Nonostante i fisici del CERN utilizzino vari processi attraverso i quali viene simulata la formazione di mini buchi neri (CHARYBDIS2 e BlackMax per buchi neri semiclassici e QBH per buchi neri quantistici), ad oggi non esistono evidenze sperimentali in merito alla loro produzione.

L’esperimento ATLAS esclude la formazione di buchi neri semiclassici che hanno masse inferiori a 4TeV/c2 per n=6 ed energie di collisione di 2TeV, mentre CMS esclude la formazione di buchi neri quantistici con masse inferiori a 5-6TeV/c2 ed energie di collisione di 2-5TeV. Insomma, la mancanza di evidenze sperimentali sulla formazione di mini buchi neri permette di porre dei limiti inferiori alla scala di energia della gravità quantistica e, indirettamente, alla elusiva teoria della gravità quantistica.

arXiv: Black holes, TeV-scale gravity and the LHC
arXiv: Phenomenology, Astrophysics and Cosmology of Theories with Sub-Millimeter Dimensions and TeV Scale Quantum Gravity


Articoli correlati

Il bosone di Higgs secondo Marc Sher

Pare che la particella osservata da LHC, le cui proprietà sono consistenti con quelle di “un” bosone di Higgs (post), abbia esattamente le caratteristiche descritte nel 1978 dal fisico teorico Marc Sher.

Sher, che insegna fisica alla William & Mary College, ha dedicato la sua vita professionale alla fenomenologia del bosone di Higgs. Le analisi dei dati relative ai due esperimenti, ATLAS e CMS, si basano su un risultato che è stato confermato con un livello di confidenza pari a 5 sigma, un parametro che indica il fatto che siamo di fronte effettivamente ad un vero e proprio segnale fisico. Gli scienziati sono estremamente felici per il fatto che questi risultati si sono dimostrati consistenti nell’ambito del Modello Standard, cioè il miglior quadro teorico che descrive le proprietà ed il comportamento delle particelle elementari e di tre interazioni fondamentali. Per Sher questi risultati danno valore e credito al suo  lavoro svolto durante la sua carriera di fisico anche se sono l’indicazione di una sorta di ‘scenario da incubo’, così come è stato definito dallo scienziato. “Ho sempre detto che ci sarebbe stato uno scenario da incubo se i fisici avessero trovato il bosone di Higgs e nient’altro. Ed è ciò che è stato trovato”, spiega Sher. Gli esperimenti di LHC hanno provato l’esistenza di un bosone di Higgs ed eventuali anomalie, che sarebbero sorte in seguito alla scoperta del bosone di Higgs, quasi certamente avrebbero puntato verso una nuova fisica (post). “Oggi siamo di fronte ad una situazione analoga a quella di un gatto che tenta di afferrare un topo dopo 35 anni. Alla fine riusciamo a prendere il topo e poi ci chiediamo cosa ne facciamo”. Anche se i dati sul bosone di Higgs non ci mostrano degli indizi che implicano una nuova fisica, Sher afferma che esistono numerosi dati che impegneranno i fisici ancora per lungo tempo. “Ci sono i neutrini. C’è la supersimmetria. C’è la materia scura. In questo periodo sto preparando un articolo sulla possibilità che esista un altro bosone di Higgs che non è stato osservato da LHC. Si tratta di una particella più leggera che decade in quelle che noi chiamiamo fotoni scuri. Insomma, ci sono certe cose che potrebbero essere trovate negli esperimenti futuri del CERN”. Oggi il CERN è chiuso per permettere tutta una serie di manutenzioni e revisioni in modo da ritornare operativo nel 2015. E’ curioso notare come Sher, impegnato a preparare una presentazione per discutere le conseguenze di questa scoperta, abbia messo nella sua slide finale il famoso “Urlo”di Munch.

W&M College: The Higgs boson looks just like Marc Sher said it would. Now what?

NPR News: 'God Particle' Discovery Disappoints Some Physicists

La massa del bosone di Higgs e la fine dell’Universo

Il 21 dicembre 2012 doveva essere la data della fine del mondo (post). Oggi, ancora peggio, le notizie non sono confortanti nel senso che la fine del mondo non si limiterebbe al nostro pianeta bensì all’intero Universo.

Queste conclusioni derivano dalle recenti misure della massa della nuova particella osservata all’LHC (post). Prima, però, concentriamoci sui cosiddetti stati metastabili che sono temporaneamente stabili. Di cosa si tratta? Facciamo un esempio. Immaginiamo, per un attimo, di essere ad una festa con un gruppo numeroso di amici. Si sta facendo tardi e non c’è abbastanza cibo da soddisfare tutti. Occorrerà, perciò, ordinare delle pizze o, alternativamente, andare in un ristorante. Questa situazione determina uno stato di energia metastabile poiché non siamo sicuri in quale direzione andremo in funzione della decisione che sarà presa. Le opzioni del cibo rappresentano tutte stati di minima energia, in qualche modo tutti si siederanno e mangeranno nell’uno o nell’altro caso, per cui le cose alla fine tendono in maniera naturale verso stati di minima energia. Una volta che una persona se ne va o ordina la pizza, la festa finisce: cioè ognuno va a prendersi del cibo. Ma cosa c’entra tutto ciò con la fine dell’Universo? Secondo la meccanica quantistica, è possibile che lo stato di minima energia del nostro Universo, quando non c’è più nulla ma solamente lo spazio e il tempo, non è lo stato più basso di energia rispetto a tutti gli stati possibili. In altre parole, esisterà uno stato ancora di minima energia nel quale il nostro Universo può andare. Ma nello stato di minima energia, tutti i protoni di tutta la materia presente nell’Universo decadono, con la sfortunata conseguenza che noi stessi cessiamo di esistere. Ancora peggio, la transizione potrebbe accadere in qualsiasi momento, in qualsiasi punto nello spazio ed espandersi alla velocità della luce partendo da una bolla molto piccola fino a che essa non annichila con l’intero Universo. Questa idea è stata esaminata di recente all’interno del contesto del Modello Standard, il quadro più moderno della teoria quantistica che descrive le proprietà delle particelle subatomiche e le interazioni fondamentali. Una serie di calcoli molto accurati indicano che la stabilità del nostro Universo è strettamente legata alla massa del bosone di Higgs, e a quella del quark top, un parametro che, grazie agli sforzi del grande collisore adronico, ha oggi un valore di circa 125 GeV. È la conclusione di questa analisi che ha scatenato i media: il Modello Standard prevede che affinchè il nostro Universo si mantenga stabile, la massa del bosone di Higgs deve essere maggiore di 129,4 ± 5,6 GeV. Dunque la fine dell’Universo sarebbe insignificante almeno in termini delle unità di tempo a cui sono abituati i cosmologi i cui valori sono dell’ordine di miliardi di triliardi di anni. Come sempre, ci sono delle obiezioni alle conclusioni non favorevoli. Il punto principale è che il Modello Standard non fornisce una descrizione completa del nostro Universo. Intanto, non include la gravità, le masse del neutrino che sono state osservate sperimentalmente e non dà alcuna spiegazione dell’elusiva materia scura. Queste problematiche hanno portato i teorici a costruire tutta una serie di modelli che sono estensioni del Modello Standard e che introducono nuovi stati della materia. Quello che è importante è il fatto che questi ulteriori stati della materia possono facilmente modificare le conclusioni sulla stabilità dell’Universo. Ad esempio, in quei modelli nei quali ci sono due campi di Higgs, le interazioni tra questi campi possono portare a un insieme di stati di energia diverso da quello previsto dal Modello Standard. Insomma, se l’Universo contiene davvero diversi campi di Higgs, esistono comunque delle indicazioni dai dati raccolti dagli esperimenti condotti presso LHC per cui risulta molto improbabile che viviamo oggi in uno stato metastabile e perciò possiamo concludere che al momento siamo al sicuro.

The Conversation: Could the Higgs mass determine the end of the universe?